外掺剂对混凝土力学性能影响分析

韩　冰

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津　300300)

随着混凝土技术的不断发展，混凝土外掺剂已经变成混凝土中必不可少的组分。20世纪末期，高性能混凝土概念的提出、研究应用的蓬勃发展及之后绿色高性能混凝土概念的深化都起源于不同混凝土外加剂的研制和成功应用[1]。

随着建筑业的快速发展，传统的混凝土施工技术早已不能满足大型跨海大桥、超高层及配筋较密建筑工程的建设施工要求，必须应用较大流动性泵送混凝土的施工，必须加紧进行外掺剂对混凝土力学性能的影响分析[2]。混凝土中最重要的力学性能是强度。在一定情况下，混凝土其他性能通常与混凝土的强度息息相关。而加入外掺剂，可以明显增加混凝土的强度，还可以增加混凝土其他的力学性能[3]。

1　试验概况

1.1　早、中期力学强度试验

本研究中，以水泥混凝土的轴心抗压强度、抗压强度和抗弯拉强度作为评价混凝土力学性能的指标。对不同外加剂配合比组合下试件的力学性能进行试验研究[4]。由于水泥混凝土的抗弯拉强度是工程设计中的一个重要参数，因此对试件的抗弯拉强度进行了测定。在试验中，采用100 mm×100 mm×400 mm的非标准试件，计算出的抗弯拉强度需要乘上换算系数0.85。

1.2　试验设备

试验机：采用50～300 kN抗折试验机或者万能试验机。

抗弯拉试验装置：能使2个相等荷载同时作用在试件跨度的3分点处上的抗弯拉试验装置。

1.3　试验方法

按预定配合比称量水泥混凝土所用的原料，经过拌合后，将它倒入试模中进行振捣和抹平成型，1 d后拆模。在规定的条件下，养护28 d后进行试验。

将试件放在试验机上，施加均匀、连续的载荷，加荷速率取0.05～0.08 MPa/s。当试件接近破坏时，停止调整试验机油门。试件破坏后，要记下最大荷载[5]。

各组试验所用的配合比见表1。

表1　试验配合比Table 1　Test mixing ratio

1.4　试验结果计算

2　早、中期力学强度试验结果分析

早、中期的力学强度试验结果分别见表2～4。试验数据包括：混凝土3,7和28 d的抗压强度、轴心抗压强度及抗弯拉强度。

2.1　立方体抗压强度

从表2中3 d龄期下混凝土试件的抗压强度可以看出：掺加活性掺和料试件的强度都处于空白组的之下。随着掺和料用量的增加，它们的各项强度均逐步降低。当用量相同时，掺矿渣混凝土试件的各项强度均强于掺粉煤灰混凝土试件的。分析减水剂对于混凝土早期强度的影响可得出：对于掺加20%粉煤灰的试件，掺加减水剂试件的抗压和轴心抗压强度均高于不掺减水剂试件的相应强度。对于掺加10%矿渣的试件，掺加减水剂试件的各项强度均略低于不掺减水剂试件的相应强度。对于采用三掺技术的试件，由于3 d的龄期较短，水化产物比较少，活性掺和料还没有充分反应。

表2　混凝土3 d龄期强度Table 2　Three day age strength of concrete

表3　混凝土7 d龄期强度Table 3　Seven day age strength of concrete

表4　混凝土28 d龄期强度Table 4　Twenty-eight day age strength of concrete

从表3中7 d龄期下混凝土试件的抗压强度可以看出：混凝土7 d龄期的各项强度比对应的 3 d 龄期的均增加近1倍。由此可知，前7 d是混凝土强度形成较快的时期。与3 d龄期数据类似，混凝土的强度随着掺和料的增加而逐渐降低。由于矿渣的活性比粉煤灰的高，在相同掺量的情况下，掺加矿渣的混凝土抗压强度明显要优于粉煤灰的。加入减水剂明显提高了粉煤灰7 d的强度，但对于矿渣的影响却不太明显，掺加减水剂试件的各项强度均和不掺减水剂试件的相差很小。三掺技术7 d强度近似与20%粉煤灰+减水剂的效果类似，其强度接近。

从表4中28 d龄期下混凝土试件的抗压强度可以看出：采用单掺技术试件的强度比7 d龄期的要明显提高，但对应相同掺量试件的强度的增幅比7 d龄期的要小。通过对实验数据分析可知，30%矿渣试件强度的增长较快，略高于空白组的，而其他各组试件的强度要较低于空白组的，但是其强度差已经很小，掺加粉煤灰试件的各项强度随掺量的增加而逐渐减小，而掺加矿渣试件的各项强度随掺量的增加而逐渐增加。掺加减水剂后，对应的强度会进一步增加；但对于掺粉煤灰的试件，加入减水剂对于混凝土强度的影响不大。而在这个龄期的双掺试件与7 d龄期下试件强度的特点类似，其各项强度均在单掺试件强度之间，既高于单掺粉煤灰试件的，又低于单掺矿渣试件的[6]。

不同龄期使用活性掺和料混凝土立方体抗压强度如图1所示。不同龄期使用减水剂后立方体抗压强度如图2所示。

图1　不同龄期使用活性掺和料混凝土立方体抗压强度Fig. 1　Compressive strength of concrete cubes using active admixture at different ages

图2　不同龄期使用减水剂后立方体抗压强度对比Fig. 2　Contrast diagram of cube compressive strength after using water reducing agents at different ages

从图1，2中可以看出，加入掺和料对混凝土强度的形成具有显著影响，减缓了混凝土早期强度的形成。随着龄期逐渐增长，掺和料对于混凝土强度的影响逐步减小。粉煤灰对于混凝土早期强度的形成影响十分明显，而矿渣对于混凝土早期强度的形成影响与粉煤灰的相差不大；但在后期，矿渣加速了混凝土强度的形成。此外，矿渣对混凝土强度形成的效果要优于粉煤灰的。减水剂对于混凝土早期强度形成具有一定的影响；但在后期，它的影响会逐步降低。通过试验中的数据还可得出结论：在早期，混凝土强度形成得较快，随着龄期的发展，其强度形成速率会逐渐降低。因此，在今后的工程实际中，要注意混凝土早期的养护工作，以保证工程质量。

2.2　抗弯拉强度

不同龄期使用活性掺和料混凝土抗弯拉强度如图3所示。从图3中可以看出，在养护时间、养护条件相同的条件下，粉煤灰和矿渣的加入对于混凝土抗弯拉强度的提高都可以起到一定的作用。其中，矿渣的作用要优于粉煤灰的。在外加混合料掺量相同的条件下，加入矿渣会使混凝土的抗弯拉强度较粉煤灰的要提高约1 MPa，且该强度的提高值与外加混合料的掺量也存在一定的关系。从图3中还可以看出，以粉煤灰为例，20%粉煤灰试件的抗弯拉强度达到4.51 MPa，而10%粉煤灰和30%粉煤灰的抗弯拉强度均低于20%粉煤灰的抗弯拉强度，分别为4.38 MPa和4.41 MPa。而相同情况在矿渣掺量不同时仍有体现：20%矿渣的抗弯拉强度也要高于10%矿渣和30%矿渣的抗弯拉强度。由此可得结论：在28 d龄期时，外掺混合料对于混凝土强度的加速形成起到了显著作用，并且矿渣在提高抗弯拉方面的作用优于粉煤灰的；外掺混合料的掺量对于试样的抗弯拉强度提高量也并非线性关系，而是呈二次抛物线的关系，在20%掺和料掺量左右达到极值，此时掺和料对早期强度提高的作用最为显著。

图3　不同龄期使用活性掺和料混凝土抗弯拉强度Fig. 3　Flexural strength of concrete with active admixture at different ages

外加剂对于混凝土早期强度形成时的影响如图4所示。从图4中可以看出，在20%粉煤灰二分点试验中的抗弯拉强度为4.51 MPa，而20%粉煤灰+1.2%减水剂的抗弯拉强度为4.37 MPa，可知它们的差别不大。分析10%粉煤灰的二分点和三分点对照试验也可得到类似结论。可见，外掺剂的使用对混凝土28 d龄期抗弯拉强度的影响 不大[7]。

图4　不同龄期使用减水剂后抗弯拉强度对比Fig. 4　Contrast diagram of flexural strength after using water reducing agents at different ages

在混凝土中，加入粉煤灰和矿渣也会在很大程度上提高混凝土的抗弯拉强度，但其效果要介于单掺2种混合料之间，复掺2种混合料的二分点抗弯拉强度为4.52 MPa，而单掺粉煤灰的二分点抗弯拉强度为4.41 MPa；单掺矿渣的二分点抗弯拉强度为5.05 MPa。

3　结论

掺和料的加入会延缓混凝土强度的形成。随着用量的增加，对其抗弯拉强度的影响更为明显，并且粉煤灰对强度形成的影响要弱于矿渣的。 28 d 龄期时，抗弯拉强度与掺和料的掺量有密切关系，20%掺和料掺量对其抗弯拉强度的影响最为显著。减水剂既能减少拌合用水量，又能增加混凝土的早期抗弯拉特性。但是，随着龄期的增加，其影响程度也逐渐减小。因此，在力学方面，掺和料和外掺剂的作用为控制反应速率。

参考文献(References)：

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